JP6199284B2 - ロボットの駆動方法、ロボット、並進運動ロボット、ロボットシステム、及びロボットシステムの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、ロボットの駆動方法、該ロボット、並進運動ロボット、ロボットシステム、及びロボットシステムの駆動方法に関する。

今日ではさまざまな工業的生産工程においてロボットが用いられ、その利用法に従ってさまざまな運動力学が存在する。そこでたびたび、いわゆる「ピック・アンド・プレース」の作業はロボットによって行われる。このような作業において、ロボットは、ある場所で対象物をつかみ、他の場所に置くことになる。ここで、対象物（加工物）は、素早く積んで搬送し、高い位置精度を保ちながらできるだけ短時間の内に目的の場所に置くことができることが望ましい。ロボットが空振りする回数をできるだけ少なくすることがさらに望ましい。

上述したことの結果として、ロボットは、作業に応じてさまざまな方式で加工の対象物（加工物）に接触する。このような、対象物への接触は、ロボットの少なくとも１つのエフェクタで実現される。エフェクタは、例えば、レーザ装置又は把持装置などである。しかし、エフェクタは、その他の装置であってもよく、ロボットはエフェクタによって、加工する（あるいは搬送する）対象物に対して適当な方法で作用する。

例えば、特許文献１で公知の、いわゆるスカラロボットの場合では、エフェクタの位置合せのために、回転可能に互いに接続されている、水平に作動する２つのアームが用いられている。ここで、その第１のアームは、該アームの第１の端部において回転可能に、基礎部及び回転駆動装置に接続され、第１のアームの第２の端部が、回転可能に第２のアームの一端に接続されている。２つのアームに共通の回転軸は、第２の回転駆動装置も有している。第２のアームの他方の端部には、エフェクタが配置されている。上記少なくとも２つの回転駆動装置を用いて、ロボットのエフェクタは、既知の方法、例えば「ポイント・ツー・ポイント」、「シンクロ・ポイント・ツー・ポイント」あるいは、「コンティニュアス・パス」などの方法で位置決めを行う。大きい加工力の吸収用に設計されるべき、作動中の駆動装置によって、スカラロボットの慣性モーメントは比較大きい。

アーム全体の１８０°の回転を伴う「ピック・アンド・プレース作業」は、スカラロボットの場合には、上述した欠点のため、度々避けられている。なぜなら、取り扱われるフィールド（対象物が取り出されるフィールド及びその対象物が置かれるフィールド）を直接隣接して設けるために、寸法がより大きいスカラロボットが選択されているからである。

特許文献２及び特許文献３により、３つの頑丈で、且つ、可動に配置されているアームを有するロボットが知られている。そのロボットにおいて、上記アームを固定するために用いられている３つの回転軸は、それぞれ回転駆動装置を有する。特に、第１と第２のアーム、及び第２と第３のアームは、それぞれ１つの共通の回転軸を有する。第３のアームの端部に配置されているエフェクタは、同様に、既知の方法、例えば、「ポイント・ツー・ポイント」、「シンクロ・ポイント・ツー・ポイント」あるいは、「コンティニュアス・パス」などの方法で位置決めを行う。この概念は、スカラロボットの概念に似ているが、２つのアームの代わりに、３つのアームが設けられている。

さらに、いわゆるデルタロボットが知られており、これは主に平行の並進運動により作動し、且つ、重量が比較的小さい。これにより、０．４秒の範囲内の極めて短いサイクル時間が達成され得る。このデルタロボットは、天井に据え付けられた不動の基礎部からなる。そのうえ、デルタロボットは４つのアーム及び４つの（回転）駆動装置を有する。上側アーム及び下側アームからなる３つのアームは、基礎部を、下端にある、エフェクタが取り付けられた可動式プラットフォームに連結する。アームの幾何学位置は、プラットフォームをいつも基礎部と平行に維持する。アームの平行並進運動は高い剛性及び大きい加速度を可能にする。第４のアームは、トルクを伝達するためのものであって、エフェクタの回転を可能にする。デルタロボットの必要不可欠な天井への据え付けのため、デルタロボットの使用範囲は制約されている。さらに、上記３つのアームは比較的多くの作業位置において、エフェクタから遠く離れたところまで伸びる。これにより、デルタロボットは、横方向のみに入口を有する作業領域に入ることはできない。側壁に接近してもデルタロボットは使用できない。このことは不利である。なぜなら、工作物の定義した位置をすべての後工程において維持するために、当該工作物の向きがロボットあるいはロボットシステムにより固定されている組み立て工程又は加工工程においては、機械から工作物を（横方向に）取り出すことがしばしば行われるからである。このような作業には、上述の不利な点が理由で、デルタロボットを用いることができない。

米国特許第４７０２６６８号明細書 米国特許第６２７５７４８号明細書 米国特許第６５９３７１８号明細書

本発明の課題は、ロボット、ロボットの駆動方法、ロボットシステム、及び本発明のロボットを用いたロボットシステムの駆動方法を提供することであり、これらによって、エネルギー効率がよく、低コストで、かつ、時間が最適化された方法により、搬送物を搬送することができる。ここで、搬送は、搬送物を持ち上げること又は分類することを含むべきである。

上記課題の解決のために、本発明によるロボットの駆動方法が提供される。上記ロボットは、少なくとも２つの連結アーム部を有するリンクチェーンを含む。そのうち、第１の連結アーム部が、第１の回転軸を軸にして回転可能に駆動するクランク部材と、第２の回転軸においてヒンジ回転可能に接続されている。そして、第２の連結アーム部が、第３の回転軸において、ヒンジ回転可能に第１の連結アーム部と接続されている。ここで、第２の回転軸において、第１の連結アーム部の駆動装置が配置され、第２の連結アーム部が、第１の連結アーム部とは反対側の端部において、エフェクタ回転点を有する。上記方法では、上記エフェクタ回転点がクランク部材の回転時に特定の角度範囲内の静止位置においてとどまるように、上記クランク部材及び第１の連結アーム部が駆動されるようになる。ここで、静止位置においてエフェクタ回転点の休止時間を短縮するために、駆動装置を用いて、第２の回転軸において、トルクを第１の連結アーム部に伝達する。該トルクは、望ましい休止時間の間、休止時間が短縮されずにエフェクタ回転点の静止を実現するために必要なトルクの最大で５％である。エフェクタ回転点において、端部エフェクタ、例えば、グリッパあるいは吸取部が接続されていてもよい。従って、エフェクタ回転点は、グリッパあるいは吸取部の回転軸の位置である。静止位置においてエフェクタ回転点の休止時間を短縮するために、例えば０．０３秒の休止時間を達成するように、休止時間を短縮させない、あるいは、最大の休止時間を得るために必要であって、最も低いトルク総計を有する、トルク曲線の範囲は、上記時間帯において選ばれなければならない。この限定されている、又は、制限されているトルクは、第２軸にある駆動装置により、しかもエフェクタ回転点が休止位置に達成した直後に、第１の連結アーム部に伝播される。休止時間が短縮されないロボットの駆動とは対照的に、すなわち、エフェクタ回転点又は端部エフェクタの回転速度及び質量比が特定されていれば、そのエフェクタ回転点又は端部エフェクタが、（上記クランク部材及び／又は第１の連結アーム部のみの駆動の場合に）トルクに伴う力を第２の回転軸へ与えることなく静止位置にとどまるというような休止時間がある場合のロボット駆動と対照的に、本発明の駆動方法によれば、休止時間が著しく短縮され、ロボットの駆動のために非常に小さなトルクのみを第１の連結アーム部に加えるだけでよい。これにより、上記の駆動方法は、エネルギー効率がよく、且つ、第２の回転軸にある、寸法が比較的小さい駆動装置だけで実行されうる。

本発明の方法は、有利には、以下のように実行される。つまり、第１の回転軸及び第２の回転軸における駆動装置は、エフェクタ回転点が第１の静止位置から第２の静止位置に移動するように駆動される。ここで、エフェクタ回転点及び第３の回転軸は、それぞれの軌道の少なくとも８０％において、第１の静止位置と第２の静止位置との間を結ぶ理論上の直線に沿って、それぞれ上記直線上の反対側に移動するように実行することができ、有利である。第１の静止位置と第２の静止位置とは、第１の回転軸に対して基本的に正反対である。従って、伸張されたいわゆる内側回転運動は実行可能となり、その移動距離は、第１の静止位置と第２の静止位置との間を結ぶ理論上の直線の長さの約１１／１０である。

本発明によれば、休止時間が著しく短縮されているため、休止時間が短縮されていない駆動に比べて、ロボットの運動力学上のチェーンは、伸張されたいわゆる外側回転運動を実行しようとする傾向がもはやない。この外側回転運動では、エフェクタ回転点は、基本的に第１の回転軸の周りを、円弧を描くように運動する。短縮された休止時間の後にこのような外側回転運動を実現するためには、回転軸においてトルクを起こすために比較的多くのエネルギーが必要である。そのうえ、外側回転運動は、空間が比較的大きくなるという欠点を有している。本発明の駆動方法の好ましい実施形態では、以下の方法を提供する。該方法では、短縮されている休止時間の後の外側回転運動の代わりに、静止位置において、エフェクタ回転点は、伸張されたいわゆる内側回転運動を実行する。内側回転運動の場合、第１の回転軸及び第２の回転軸にある駆動装置が必要とするエネルギーは比較的少なくて済む。

ロボットの回転速度比、回転加速度比、及び質量比に応じて、さらに、静止位置における位置決めの求められる精密さに応じて、上記方法は、以下のように実現されてもよい。すなわち、第１の静止位置から第２の静止位置までの、エフェクタ回転点の動きを実現するために、第２の連結アーム部を動かすための第３の回転軸における駆動装置も駆動するように、上記方法は実現されてもよい。

エフェクタ回転点には、第４の回転軸上を回転可能なように、第３の連結アーム部が接続され、その第３の連結アーム部において端部エフェクタが配置される。ここで、エフェクタ回転点が第１の静止位置から第２の静止位置まで移動する時、上記端部エフェクタは、端部エフェクタの端部領域の加速度がエフェクタ回転点の加速度より小さくなるように旋回する。端部エフェクタの旋回は、少なくとも第１の静止位置から第２の静止位置までの範囲内の移動の加速段階を均一にするためであり、ここで、均一にされた加速度は正であっても負であってもよい。ここで、第３の連結アーム部は、回転可能に設けられた突出部を第４の回転軸において有する。そのため、第３の連結アーム部の端部領域は、円軌道に沿って第４の回転軸の周りを旋回できる。従って、第３の連結アーム部の端部領域は、第３の連結アーム部の、第４の回転軸までの最大距離を有する部分である。エフェクタ回転点による第１の静止位置から第２の静止位置への移動の開始時点で、第３の連結アーム部が、進路に対して角があるように配置されている状態から始まって、第３の連結アーム部と進路とが成す角度は大きくなる。その結果、エフェクタ回転点が単位時間あたりに進む距離は、第３の連結アーム部が端部領域から同じ単位時間あたりに進む距離より長くなる。この移動は、第２の連結アーム部と第３の連結アーム部とが伸ばされる配置になるまで、実行され得る。

さらに、本発明によれば、ロボットが提供される。上記ロボットは、少なくとも２つの連結アーム部を有するリンクチェーンを含み、そのうち、第１の連結アーム部は、第１の回転軸上を回転可能に駆動するクランク部材に、第２の回転軸においてヒンジ回転可能に接続され、第２の連結アーム部は、第３の回転軸においてヒンジ回転可能に第１の連結アーム部に接続されている。ここで、上記第２の回転軸において、第１の連結アーム部の駆動装置が配置され、第２の連結アーム部が、第１の連結アーム部の反対側の端部において、エフェクタ回転点を有する。ここで、上記ロボットは、さらに、制御装置を含み、その制御装置により、クランク部材及び第１の連結アーム部の駆動装置を、エフェクタ回転点がクランク部材の回転時に特定の角度範囲内で静止位置にとどまるように制御することが可能である。そして、静止位置においてエフェクタ回転点の休止時間を短縮するために、駆動装置を用いて、第２の回転軸において、トルクを第１の連結アーム部に伝達する。該トルクは、望ましい休止時間の間、休止時間が短縮されずにエフェクタ回転点の静止を実現するために必要なトルクの最大で５％である。それぞれの連結アーム部の相対的な回転運動を実現するために、もちろん、クランク部材あるいは連結アーム部の間にヒンジジョイントが備えられている。

好ましくは、エフェクタ回転点には、第４の回転軸上を回転可能なように、第３の連結アーム部が接続されており、該連結アーム部には、第１の端部エフェクタが接続されている。従って、第３の連結アーム部は、第４の回転軸を回る、突出部として形成されている連結部又はロッカを含む。好ましくは、第３の回転軸に、第３の連結アーム部の回転のための駆動装置が接続されている。

搬送力を２倍にするために、エフェクタ回転点には、第４の回転軸上を回転可能なように、第４の連結アーム部が接続されており、該連結アーム部において第２の端部エフェクタが設けられていてもよい。

すなわち、エフェクタ回転点と一致する、いわゆる衝撃の中心点において、２つの連結アーム部は接続されてもよく、それらの連結アーム部は、端部エフェクタが備えられていれば、いわゆるダブルグリッパとして作動し得る。

好ましくは、第３の連結アーム部及び第４の連結アーム部は、それぞれ第４の回転軸と同軸上に配置された駆動軸において配置されている。すなわち、上記駆動軸の長手方向の軸、あるいは、回転軸は、第４の回転軸にある。駆動軸が同軸に配置され得るように、駆動軸の少なくとも１つは中空軸として形成されていてもよい。駆動軸の回転により、上記端部エフェクタは第４の回転軸の周りを旋回することができる。

端部エフェクタの少なくとも１つは、その端部領域において、１つの軸上に回転可能な操作手段を有している。該操作手段は、駆動の軸が第４の回転軸と平行になる駆動ユニットに接続されている。上記操作手段は、例えば、吸盤又はグリッパであってもよく、その吸盤又はグリッパは、例えばベルト（チェーン）伝動装置などの伝動装置により回転可能である。

同軸に配置されている駆動軸を有する第３の連結アーム部及び第４の連結アーム部の実施形態では、好ましくは、上記駆動軸の少なくとも１つは軸方向に可動である。特に好ましい実施形態では、上記２つの駆動軸が軸方向に可動である。定義された移動は、例えば、ウォームギアにより実現され得る。

さらに、上記ロボットは、端部エフェクタの駆動軸の少なくとも１つを可動にする、少なくとも１つの歯車伝動装置を含む。そのために、上記駆動軸において、スプラインシャフトにおける歯車に咬合する外歯歯車が配置されていてもよく、その外歯歯車は、駆動ユニットにより駆動可能であり、軸方向の位置を、駆動軸の軸方向の位置に合わせ得る。

さらに、本発明によれば、並進運動ロボットが提供されている。該並進運動ロボットは、第１の回転軸上を回転可能に駆動するクランク部材に、第２の回転軸においてヒンジ回転可能に接続されている第１の連結アーム部を有するリンクチェーンを含む。１つの端部エフェクタは、回転可能に第３の回転軸において、第２の連結アーム部として、第１の連結アーム部に接続されている。上記クランク部材は、並進運動の自由度によって可動である。その並進運動の自由度は、好ましくは、クランク部材の回転軸の方向に延びている。場合によって、上記並進運動ロボットは、２つの上述したリンクチェーンを、複数の平面において重ね合って有してもよい。

一実施形態では、基礎軸と称されている第１の回転軸は、垂直に配置され固定された、ねじ−スプライン−スピンドル（例えば、長さ２ｍ）である。１つのスプラインナット（垂直運動専用）及び１つのナット（螺旋運動専用）は、互いに一定の間隔を置いてスピンドルに備えられている。

上記ナットは、動力伝動機構を実現するサーボモータが備え付けられている。
２つの連結アーム部と１つのグリッパあるいは端部エフェクタとを有する、水平に配置されているロボットアームは、軸受けを介してアクションモジュール（ナット−スプラインナット−結合部）に接続されている。これにより、上記アームは、回転に関して、基本的にアクションモジュールから分離されている。しかし、上記アームを、目的に応じて、ナット又はスプラインナットに噛み合う状態にする場合もあるし、又は、噛み合わない状態にする場合もある。

上記噛み合う状態は、垂直のアクチュエータ及び垂直のスプリングにより行われる。それぞれの場合において、１対の歯車を噛み合わせる。当該１対の歯車は、垂直方向を向いて、第１の回転軸あるいはスピンドル軸が延びる方向に沿って配置されている。これにより、上記アームは、（場合によってアクションモジュールによる上下運動の要素が伴う）自由な回転運動、又は、ナットに噛み合いながらの螺旋運動、又は、スプラインナットに噛み合いながらの上下運動を行う。
アームの部材の間には、同じ噛み合わせ原理により噛み合う状態にしたり、噛み合わない状態にしたりできる、垂直の第２の（水平に回転する）回転軸がある。端部エフェクタと第２の連結アーム部との接続も、そのような“噛み合い軸”、従来の軸、又は軸無しで行われる。

１対の歯車のうちそれぞれ１つの部分は、１つの特徴を有する。それぞれの部分は、小型駆動装置（リニア又は回転のピエゾ駆動装置）により、歯の１つ分より少ない精密な回転ができるような噛み合わせを実現する。正確さは、サーボモータの範囲内であるか、又はより低い。２つの歯車が噛み合っていても、上記小型駆動装置を介して重要な力は伝動されず、力は摩擦クラッチを介して伝動される。上記摩擦クラッチ自体は、歯車の噛み合いの直前に、噛み合い、小型駆動装置の自由度を相殺する。摩擦力は、垂直のスプリングにより発生する。垂直の咬合力は、簡単なリニア駆動装置、例えば空気圧シリンダにより発生する。

従って、噛み合い軸の歯車対の相対速度が低い場合、各軸は精密に噛み合い、あるいは、停止させられ、次に、回転角を変えずにトルクが伝動され得る。

噛み合い軸の発明によれば、動力機構における操作上の問題、すなわち、静止直前におけるシステム動力の停止により制御可能性が失われるという問題は解決される。軸の配置によって、円筒形の作業空間が生まれる。

端部エフェクタと第２の連結アーム部との間に噛み合い軸がある場合、端部エフェクタの重心が上記噛み合い軸の回転点から遠ければ遠いほど、上記端部エフェクタはより回転できる。よって、有効重量が慣性に加えられる場合、例えば、細長く、そのために重心が同様に端部エフェクタの噛み合い軸から遠く離れている場合、上記システムはとりわけ好適に作動する。

上記並進運動ロボットの好ましい一使用分野は、例えば、パレット（特にユーロパレット）又は一時保管倉庫での積み降ろしなどの倉庫業である。一時保管倉庫は、例えば、スマートオートタワー（スマートセンター原理）の形態を有する。ユーロパレットの作業では百万回使用される。このユーロパレットの作業を低コストに分散し、低速で実施することは、特に好ましいと思われる。それぞれの搬送対象の重量及びその対象の重心の配置が並進運動ロボットの設計及び制御において考慮され得る場合、並進運動ロボットの駆動は特に効率的である。

従って、１つの動力伝動機構のみを有し、とりわけ低コストで組み立てられ、広い作業空間を有し、そして、高い正確性を達成する、並進運動ロボットが提供される。

さらに、本発明によれば、ロボットシステムが提供される。上記ロボットシステムは、第１のロボットとして本発明のロボットと、さらに、並進運動ロボットとを有する。
本発明のロボットシステムによれば、とりわけ、以下の点が有利である。すなわち、第１のロボットと並進運動ロボットとの共同作業により、上述したロボットの１つのみを使用した場合と比較して、搬送作業を、様々な段階で、そして、はるかに高い自由度で処理できる。有利には、第１のロボットではトレー収容を行い、並進運動ロボット１では棚収容が行うことができる。

さらに、本発明によれば、ロボットシステムの駆動方法が提供される。該ロボットシステムでは、並進運動ロボットを用いて、少なくとも１つの搬送物が、第１のロボットの静止位置の領域にあるように置かれ、該搬送物が、上記位置において第１のロボットに持ち上げられる。あるいは、搬送物が、第１のロボットの静止位置の領域に置かれ、上記並進運動ロボットにより持ち上げられる。第１のロボットの目的区域は、比較的小さい。すなわち、本発明によれば、エネルギー効率的に休止段階又は零空間運動が実現され得る面積は、比較的小さい。これらの目的区域の移動は、高いエネルギー費用及び設備費用に結びつく。しかし、目的区域又は目的領域の中では、第１のロボットにより非常に正確な位置決めが可能である。並進運動ロボットも、位置決めの正確性は、比較的低い。しかし、位置測定装置により、並進運動ロボットの操作部材又は端部エフェクタのそれぞれの位置を非常に正確に測定することができる。この測定は測定技術上及び／又は計算上実施可能である。上記並進運動ロボットの位置決めについて、上記の正確さは、第１のロボットが搬送物を持ち上げられるように並進運動ロボットがその搬送物を第１のロボットの目的区域又は目的領域の中に充分正確に置くのに、あるいは逆に、第１のロボットによって搬送物が持ち上げられるように並進運動ロボットが操作手段を十分正確に第１のロボットの目的領域内に置くのに、充分な正確さである。上記位置測定装置により並進運動ロボットの操作手段のそれぞれの位置が第１のロボットに伝送され、これにより、第１のロボットがその位置に接近できる。つまり、並進運動ロボットにより位置決めが比較的おおまかに行われ、そして、２つのロボットの共同作業の際には第１のロボットにより微調整が実現されるため、第１のロボットと並進運動ロボットとを組み合わせることにより、それぞれのロボットの欠点が補い合える。

クランク部材が回転するように、並進運動ロボットの駆動が該並進運動ロボットの第１の回転軸においてのみ行われることにより、上記ロボットシステムの効率的な駆動が実現可能となる。ここで、第２及び／又は第３の回転軸における回転運動はブレーキにより固定されたり、それぞれのブレーキの固定作用が終われば、解放されて回転運動が起こったりする。

本発明は、添付の図において示されている実施例によって、以下で説明される。

第１のロボットの運動チェーンを示す平面図である。 第１のロボットの運動チェーンを示す側面図である。 エフェクタ回転点が静止位置において休止している際の、第１のロボットのそれぞれのリンク部材の動きを示す平面図である。 第１の静止位置における短縮された零空間運動の間の、第１、第２、及び第３の回転軸上におけるトルクのトルクグラフである。 第２の静止位置における短縮された零空間運動の間の、第１、第２、及び第３の回転軸上におけるトルクのトルクグラフである。 伸張された内側回転運動示す平面図である。 限定された零空間運動の場合の、静止位置における２つの零空間運動の位置グラフである。 限定されたトルクの場合の、第２の回転軸における第１の零空間運動のトルクグラフである。 限定されたトルクの場合の、第２の回転軸における第２の零空間運動のトルクグラフである。 外側回転運動の位置グラフである。 外側回転運動のトルクグラフである。 第４の回転軸に接続されている２つの端部エフェクタ示す図である。 並進運動ロボットを示す側面図である。

図１及び図２には、第１の回転軸１１２上を回転可能なクランク部材１１０を有する、第１のロボットが示されている。ヒンジジョイント１０２を介して、第２の回転軸１２２に第１の連結アーム部１２０が接続されている。第１の連結アーム部１２０は、第２の回転軸１２２とは反対側に、さらなるヒンジジョイント１０２において第３の回転軸１３２を有し、上記第３の回転軸１３２に、ヒンジ回転可能に第２の連結アーム部１３０が接続されている。第２の連結アーム部１３０の先端部において、エフェクタ回転点１６０に対応する第４の回転軸１４２が設けられている。上記エフェクタ回転点には、以下に説明されているように、第３の連結アーム部及び／又は第４の連結アーム部が接続される。特に、図２により明らかなことには、第２の回転軸１２２において駆動装置１２４が配置され、第３の回転軸１３２において駆動装置１３４が配置されている。上記駆動装置により、連結アーム部１２０及び１３０を、クランク部材１１０の回転により発生した運動から独立して駆動することができる。図２によれば、第２の連結アーム部１３０の端部において、エフェクタ回転点１６０に第３の連結アーム部１４０は接続されているが、当該第３の連結アーム部１４０は図２に示されている形である必要はなく、その代わりに、エフェクタ回転点１６０を回る、第３の連結アーム部１４０の回転運動を生じさせ得る突出部を有してもよい。

図３には、関連する技術文献の説明においてある程度記述された、第１のロボット１００の零空間運動が示されている。クランク部材１１０と連結アーム部１２０及び１３０とが運動している間に、上記エフェクタ回転点１６０が２つの静止位置を有し得ることが示されている。上記２つの静止位置は、第１の回転軸１１２と基本的に対向する、第１の静止位置１６４及び第２の静止位置１６６である。図３に概略的に示されているように、上記静止位置１６４及び１６６は、クランク部材１１０が回転し、且つ、少なくとも第１の連結アーム部１２０が回転運動を実施している間、エフェクタ回転点１６０によって取得される。

ここで、静止位置１６４及び１６６は比較的長く維持されている。しかし、搬送処理又は収容処理の時間を最適化するためには、休止時間はより短い方が望ましい。従って、エフェクタ回転点１６０は、第１の又は第２の静止位置１６４、１６６に到着した後、またその静止位置からより早く離れなければならない。すなわち、通常の零空間運動（エフェクタ回転点が静止状態の間の、ロボットのリンク部材の運動）ではなく、零空間運動の短縮が実現されるべきである。本発明によれば、短縮された零空間運動の間、すなわち、静止位置１６４及び１６６において短縮された休止時間を実現するために、回転軸上の駆動装置によって、第１のロボットの効率的な駆動を可能にするトルクを発生させるべきである。

図４及び図５により、トルク曲線が明示されている。該トルク曲線は、第１の回転軸１１２、第２の回転軸１２２、及び第３の回転軸１３２において、０．０３秒まで短縮された零空間運動のために、駆動装置によって実現されなければならない。ここで、図４及び図５に示されているそれぞれの関数には、それぞれの回転軸の参照番号が付けられている。ここで、図４は、第１の静止位置１６４における、回転軸１１２、１２２、及び１３２のトルク曲線を示し、図５は、第２の静止位置１６６に関するトルク曲線を示す。

図４及び図５に示されている、第２の回転軸１２２におけるトルクは、本発明によれば、休止時間が短縮されない場合の休止の実現のためにエフェクタ回転点が必要とするトルクの、最大で５％のみである。これにより、第１の静止位置１６４及び第２の静止位置１６６におけるエフェクタ回転点１６０の休止を伴う第１のロボット１００の回転は、０．０３秒にまで短縮された休止時間又は短縮された零空間運動と共に実現され得る。

静止位置１６４、１６６における休止時間の短縮により、第１のロボットは、休止時間が短縮されない場合に最も小さいエネルギー供給で実現できる運動シーケンスを実行することができない。そのため、図１０に示されているような外側回転運動も、エネルギー効率よく達成することができない。そのうえ、このような外側回転運動は、比較的大きい空間が必要になるという欠点がある。

そのため、本発明によれば、エフェクタ回転点１６０が広範囲に亘っておおよそ直線的な運動を実行するように、上記エフェクタ回転点１６０は第１の静止位置１６４から第２の静止位置１６６へと旋回移動する。この運動は、伸張された内側回転運動１７０と称される。伸張された内側回転運動１７０では、外側回転運動と同様に、軌道運動の経過中は、第１及び第２の連結アーム部１２０及び１３０が相互に伸ばされている。しかし、外側回転運動の場合に同様に伸ばされているが、伸張された内側回転運動１７０では、クランク部材１１０と第１の連結アーム部１２０とがその間に角度が設けられる。これにより、エフェクタ回転点１６０に配置されている端部エフェクタ１６２は、第１の静止位置１６４と第２の静止位置１６６との間の理想的には直線に沿って動く。これにより端部エフェクタ１６０が進む軌道は最小化される。上記軌道が短ければ短いほど、決定された時間帯内に第１の静止位置１６４から第２の静止位置１６６に到達するために、加速をより小さくする必要がある。

図７には、第１のロボットの運動シークエンスが示されている。該運動シーケンスにおいて、第２の回転軸１２２におけるトルクは、第２の回転軸にある駆動装置の過負荷を防止するために、特定の値、例えば、１７０Ｎｍに限定されている。この限定は、連結アーム部を伸張した配置により、理論上の無限大のトルクが生じ得ることを回避するために必要である。

図８及び図９には、第２の回転軸１２２における、第１の静止位置１６４（図８）及び第２の静止位置１６６（図９）のそれぞれの場合のトルク曲線が示されている。それぞれの静止位置に到達するまでのトルク曲線は、それぞれの静止位置において休止する時、及び、該静止位置の後、第２の回転軸１２２におけるトルクが１７０Ｎｍを超えないことが明確である。

内側回転運動の効率を例示するために、図１０には、外側回転運動の位置図面が示される。当該外側回転運動について明らかなことには、このような運動の場合、図６に示されている伸張された内側回転運動に比べて、はるかにより大きい空間が必要である。

図１１によれば、第２の回転軸１２２において、はるかにより長い時間に亘って比較的大きいトルクを与えなければならないことは明らかである。

第１のロボットにある端部エフェクタの構造上の形態を説明するために、図１２は参照される。図１に明確に示されている第４の回転軸１４２、又はその箇所におけるエフェクタ回転点１６０には、シャフトを介して第３の連結アーム部１４０及び第４の連結アーム部１５０が接続されている。ここで、第３の連結アーム部１４０には第１の端部エフェクタ１６２が接続されており、第４の連結アーム部１５０には第２の端部エフェクタ１６３が接続されている。ねじシャフト３を介して、そのねじシャフト３に連結されている第４の連結アーム部１５０を回転させて動かすことが可能である。第４の連結アーム部１５０として偏心アーム１５がある。スプラインナット７を介して、ねじシャフト３の回転駆動は行われる。ここで、ねじシャフト３は、ねじシャフト３の並進運動を第４の回転軸１４２において実現可能なねじナット５にも咬合する。ねじシャフト３の中にシャフト２が貫通しており、該シャフト２のシャフト端部１８において、第２の端部エフェクタ１６３と共働するように接続されているベルト伝動装置１７が連結されている。これにより、第２の端部エフェクタ１６３も、シャフト２の回転時に、ベルト伝動装置１７を介して、搬送物を回転するために回転可能となる。

ねじシャフト３の外周に、中空軸１１が回転可能に設けられている。該中空軸１１には、第３の連結アーム部１４０を構成する偏心アーム１４が接続されている。この第３の連結アーム部１４０には、第１の端部エフェクタ１６２が回転可能に接続されている。ここで、第１の端部エフェクタ１６２は、ベルト伝動装置１３と咬合し、該ベルト伝動装置１３自体は、中空軸１１の外周に設けられた中空軸１２と咬合する。該中空軸１２は、スプラインシャフト４の上に配置されている歯車に噛み合っている。当該スプラインシャフト４はスプラインナット８により駆動することが可能である。スプラインナット８を作動させることによりスプラインシャフト４が回転し、それにより、中空軸１２が駆動し、当該中空軸１２自体は、第１の端部エフェクタ１６２を駆動させるベルト伝動装置１３を駆動させる。第３の連結アーム部１４０又は該第３の連結アーム部１４０の偏心アーム１４の回転運動自体は、歯車１０と中空軸１１との噛み合わせにより達成される。ここで、その歯車１０が、スプラインナット６により駆動されるスプラインシャフト１の外周に設けられている。上記スプラインシャフト１及びスプラインシャフト４は、ハウジング９を突き抜けて立っている。

従って、エフェクタ回転点１６０の加速段階において、各端部エフェクタ１６２、１６３は、各端部エフェクタ１６２、１６３が受ける加速度が、特に運動過程の開始又は終了の時に、エフェクタ回転点１６０が受ける加速度に比べてより小さくなるように、動かされる。上記のことは以下のことによって達成される。すなわち、第３の連結アーム部１４０又は第４の連結アーム部１５０が第２の連結アーム部１３０に対して傾斜した位置から始めて、エフェクタ回転点１６０の運動時に、第２の連結アーム部１３０が伸張された配置になる。これにより、第２の連結アーム部１３０と第３の連結アーム部１４０あるいは第４の連結アーム部１５０が、それぞれの運動軌道に対して基本的に接線の方向に配置される。このことは、端部エフェクタ１６２、１６３の機械的負荷と、それぞれの搬送物を端部エフェクタによって、エフェクタ回転点１６０の運動時にその端部エフェクタに固定するために必要な固定力とを減らす。

図１３には、本発明のシステムにおいて第１のロボット１００と共に用いられている並進運動ロボット２００が示されている。当該並進運動ロボット２００は、第１の回転軸Ａ２の周りを回転可能なクランク部材２１０を含む。上記クランク部材２１０に、第１の連結アーム部２２０がヒンジ回転可能に接続されており、該第１の連結アーム部２２０の第２の回転軸Ａ３には、第２の連結アーム部２３０が回転可能に配置されている。第２の連結アーム部２３０に配置されている第３の回転軸Ａ４には、並進運動ロボット２００の端部エフェクタ３００が接続されている。上記並進運動ロボット２００は、並進運動ロボット２００のクランク部材２１０が並進運動の自由度Ａ１、すなわち、第１の回転軸Ａ２に沿って移動可能であるように、構成されていてもよい。そのうえ、上記並進運動ロボット２００は、複数重なり合って配置されているリンクチェーンを有してもよく、該リンクチェーンが、クランク部材２１０、第１の連結アーム部２２０、及び第２の連結アーム部２３０を含む。上記並進運動ロボットは、特に棚の収容に適合している。上記並進運動ロボットの位置決めの精密さは、妥当な設備コストの範囲内では、比較的低い。

第１のロボットは、それぞれの静止位置１６４及び１６６がある目的の場所内において、位置決めの比較的高い精密さを有する。当該目的の場所の外では、その位置決めの精密さは比較的低い。並進運動ロボット２００の端部エフェクタ３００の位置を非常に精密に測定可能にする位置測定装置又は御製装置により、第１のロボット１００と並進運動ロボット２００との最適化された共同作業が達成され得る。上記並進運動ロボットを用いることにより、搬送物を、充分な精密さで第１のロボット１１０の目的の場所内に置くことができる。上記位置測定装置を用いることにより、第１のロボットに、並進運動ロボット２００が置いた搬送物の正確な位置を伝えることができる。搬送物が第１のロボット１００の目的に場所内にあるため、上記第１のロボット１００は、当該搬送物の位置に非常に正確に接近し、搬送物を持ち上げることができる。もちろん、逆の運動シークエンスは可能である。上記逆の運動シークエンスでは、第１のロボット１００によって搬送物が目的の場所内に置かれ、並進運動ロボット２００によって持ち上げられる。上記並進運動ロボット２００のクランク部材２１０の運動が、並進運動の自由度Ａ１内、つまり、垂直の方向に可能であるため、多数の運動シークエンスは、上記２つのロボット１００及び２００の組み合わせで実現される。

１ スプラインシャフト
２ シャフト
３ ねじシャフト
４ スプラインシャフト
５ ねじナット
６ スプラインナット
７ スプラインナット
８ スプラインナット
９ ハウジング
１０ 歯車
１１ 中空軸
１２ 中空軸
１３ ベルト伝動装置
１４ 偏心アーム
１５ 偏心アーム
１６ 端部エフェクタ
１７ ベルト伝動装置
１８ シャフト端部
１９ 端部エフェクタ
１００ 第１のロボット
１０２ ヒンジジョイント
１１０ クランク部材
１１２ 第１の回転軸
１２０ 第１の連結アーム部
１２２ 第２の回転軸
１２４ 第２の回転軸における駆動装置
１３０ 第２の連結アーム部
１３２ 第３の回転軸
１３４ 第３の回転軸における駆動装置
１４０ 第３の連結アーム部
１４２ 第４の回転軸
１５０ 第４の連結アーム部
１６０ エフェクタ回転点
１６２ 第１の端部エフェクタ
１６３ 第２の端部エフェクタ
１６４ 第１の静止位置
１６６ 第２の静止位置
１７０ 伸張された内側回転運動
２００ 並進運動ロボット
２１０ クランク部材
Ａ２ 第１の回転軸
２２０ 第１の連結アーム部
Ａ３ 第２の回転軸
２３０ 第２の連結アーム部
Ａ４ 第３の回転軸
Ａ１ 並進運動の自由度
３００ 端部エフェクタ

Claims (10)

1. 第１の回転軸の上を回転可能に駆動するクランク部材に、第２の回転軸においてヒンジ回転可能に接続されている第１の連結アーム部を有するリンクチェーンを含む並進運動ロボットであって、
   １つの端部エフェクタは、第３の回転軸において回転可能に、第２の連結アーム部として、前記第１の連結アーム部に接続されており、
   前記クランク部材は、並進運動の自由度によって可動であり、
   前記並進運動ロボットの駆動は、前記クランク部材が回転するように、前記並進運動ロボットの前記第１の回転軸においてのみ行われることを特徴とする、並進運動ロボット。
2. 少なくとも２つの連結アーム部を有するリンクチェーンを含むロボットと、請求項１に記載の並進運動ロボットとを含む、ロボットシステムにおいて、
   前記２つの連結アーム部のうち、第１の連結アーム部は、前記第１の回転軸の上を回転可能に駆動するクランク部材に、第２の回転軸においてヒンジ回転可能に接続され、第２の連結アーム部は、第３の回転軸においてヒンジ回転可能に前記第１の連結アーム部に接続されており、前記第２の回転軸において、前記第１の連結アーム部の駆動装置が配置され、前記第２の連結アーム部が、前記第１の連結アーム部の反対側の端部領域、好ましくは、反対側の衝撃中心点においてエフェクタ回転点を有し、
   前記ロボットは、さらに、制御装置を含み、前記制御装置によって、前記クランク部材及び前記第１の連結アーム部の前記駆動装置を、前記エフェクタ回転点が前記クランク部材の回転時に特定の角度範囲内で静止位置にとどまるように制御可能であり、
   前記静止位置において前記エフェクタ回転点の休止時間を短縮するために、前記駆動装置を用いて、前記第２の回転軸において、トルクを前記第１の連結アーム部に伝達し、前記トルクは、望ましい休止時間の間、休止時間が短縮されずに前記エフェクタ回転点の静止を実現するために必要なトルクの最大で５％であることを特徴とする、ロボットシステム。
3. 前記エフェクタ回転点には、第４の回転軸の上を回転可能なように、第３の連結アーム部が接続されており、前記第３の連結アーム部には、第１の端部エフェクタが接続されていることを特徴とする、請求項２に記載のロボットシステム。
4. 前記エフェクタ回転点には、前記第４の回転軸の上を回転可能なように、第４の連結アーム部が接続されており、前記第４の連結アーム部には、第２の端部エフェクタが設けられていることを特徴とする、請求項３に記載のロボットシステム。
5. 前記第３の連結アーム部及び前記第４の連結アーム部は、それぞれ前記第４の回転軸と同軸上に配置された駆動軸において配置されていることを特徴とする、請求項４に記載のロボットシステム。
6. 前記第１の端部エフェクタ及び前記第２の端部エフェクタのうち少なくとも１つの端部エフェクタが、その端部領域において、１つの軸上に回転可能な操作手段を有しており、前記操作手段は、駆動の軸が前記第４の回転軸と平行になる駆動ユニット付き伝動装置に接続されていることを特徴とする、請求項５に記載のロボットシステム。
7. 前記駆動軸の少なくとも１つは、軸方向に可動であることを特徴とする、請求項５又は６に記載のロボットシステム。
8. 前記ロボットは、端部エフェクタの前記駆動軸の少なくとも１つを可動にする、少なくとも１つの歯車伝動装置を含むことを特徴とする、請求項５から７のいずれか１項に記載のロボットシステム。
9. 請求項２に記載のロボットシステムを駆動するための駆動方法であって、
   並進運動ロボットを用いて、少なくとも１つの搬送物が、前記ロボットの前記静止位置の領域にあるように置かれ、前記搬送物が、前記静止位置において前記ロボットによって持ち上げられる、又は、搬送物が、前記ロボットの前記静止位置の領域に置かれ、前記並進運動ロボットによって持ち上げられることを特徴とする、駆動方法。
10. 前記並進運動ロボットの駆動は、前記クランク部材が回転するように、前記並進運動ロボットの前記第１の回転軸においてのみ行われる、前記ロボットシステムを駆動することを特徴とする、請求項９に記載の駆動方法。

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